На 3D-принтере напечатали самоскладывающиеся цветы

Ученые разработали композитный полимерный материал для 3D-печати, из которого можно получать плоские фигуры, при нагреве складывающиеся в трехмерные объекты нужной формы, а также метод преобразования данных о форме трехмерной фигуры в двумерную схему, которую нужно напечатать. С помощью этой технологии было создано несколько трехмерных объектов, в том числе фигурка кролика и пластиковая розочка, сообщили ученые на конференции CHI 2018.

Один из недостатков современной 3D-печати — низкая скорость, которая обусловлена как продолжительностью работы самих принтеров, так и свойствами материалов, которые используются в качестве «чернил» — их вязкостью и скоростью затвердевания. Печать достаточно сложных объектов даже не очень большого размера в некоторых случаях занимает несколько часов. Для ускорения процесса инженеры пытаются улучшить существующие технологии и материалы, а также разработать принципиально новые подходы. Один из таких подходов — использование самоскладывающихся объектов. При таком методе печатать можно относительно простой объект (в некоторых случаях и вовсе плоский), а финальная трехмерная структура образуется в результате складывания уже после печати.

Одна из проблем такого подхода — отсутствие универсального материала для печати, поэтому инженеры из США, Китая и Австрии и под руководством Линин Яо (Lining Yao) из Университета Карнеги-Меллона предложили использовать для этого новый тип материала. В качестве основы в нем используется полилактид — термопластичный полимер с известной температурой стеклования (около 60 градусов Цельсия), который расширяется при нагревании. Для того, чтобы это расширение можно было использовать для складывания в нужную объемную форму, при печати использовался еще один полимер — термополиуретан, который не расширяется при нагревании и выступает своеобразным ограничителем для полилактида.

Если участки двух полимеров располагать в правильном порядке (как по горизонтали, так и по вертикали), то при нагревании напечатанная плоская фигура свернется в нужный трехмерный объект, например, розочку или фигурку кролика. Для того, чтобы напечатанная плоская структура свернулась в нужную трехмерную конфигурацию, ее опускали в горячую воду, в результате чего нужные участки изгибались и довольно быстро принимали нужную форму.

Чтобы определить, какую двумерную фигуру нужно печатать на 3D-принтере для создания того или иного объемного объекта и как расположить в ней области различного состава, ученые разработали специальный алгоритм, который на основе заданной трехмерной структуры показывал, из каких секций должна состоять напечатанная плоская фигура, чтобы при нагревании она сложилась нужным образом.

Всего ученые напечатали 15 самоскладывающихся структур различного типа, которые могли изгибаться под различным углом, образовывать закрученные фигуры с заданной кривизной поверхностей или складываться в замкнутые многогранники нужной формы.

Ученым также удалось показать, что предложенная ими технология воспроизводима и в результате нее из одинаковых по форме двумерных фигур образуются одинаковые объемные структуры нужной формы.

Авторы отмечают, что использованный ими подход используется не впервые, но им удалось найти достаточно дешевый материал, который хорошо приспособлен для печати самосборных конструкций. В будущем ученые планируют получать приспособить эту методику для получения объектов большего размера.

Похожий подход для трехмерных объектов, которые при сворачивании будут принимали нужную форму, использовали недавно инженеры из Швейцарии и США. Они получили оригами-конструкции, которые состоят из жестких сегментов, соединенных между собой упругим материалом и могут благодаря этому самостоятельно складываются в одно или два стабильных положений. Вдохновило ученых на создание таких самосборных конструкций крыло уховертки, искусственный аналог которого они также напечатали на 3D-принтере.

Александр Дубов